淮海战役打响后，黄百韬兵团被华野包围在了碾庄地区。杜聿明派出的解围部队在徐东被宋时轮挡住，根本冲不过去。蒋介石无奈之下，又把黄维兵团投到了战场上。黄维虽然毕业于黄埔一期，但打仗比较呆板，而且1939年的时候他因为和关麟征闹矛盾被调离了前线，之后不是搞后勤就是办教育，再也没有领兵上过前线。
1948年秋季，国民党第12兵团组建，下辖第十八军、第十军、第十四军和第八十五军，总兵力近12万人。本来陈诚是打算让胡琏出任兵团司令的，但遭到了白崇禧的强烈反对。白崇禧推荐的人选，陈诚也不同意，最后时任武汉新制军官学校校长的黄维被推到了前台。黄维久疏战阵，又不听18军军长杨伯涛的建议，结果一到淮海战场就被中野包围在了双堆集地区。
11月25日，刘邓给军委发电，称“我已令各纵逐步收缩，达成全歼此敌”。第二天廖运周率110师两个团和师部战场起义，黄维兵团的士气受到了沉重打击。刘邓判断包围圈内的敌人很可能会四散奔逃，因此再次给军委去电，称“全部战斗至迟明日可以解决”。事后看来，这个判断太过乐观了。
廖运周起义确实打乱了黄维的突围计划，但他属于吴绍周的第85军，该军是何应钦的部队，在12兵团当中实力垫底。12兵团另外三个军都没有遭受太大损失，而且第18军还是国军的王牌主力，防守能力极强。廖运周起义后，黄维没有选择继续突围，而是固守待援。第二天中野集中了七个纵队外加两个独立旅的兵力，向黄维兵团发起了全面进攻。
但经过48个小时的连续攻击，却进展甚微。主要原因是敌我双方的火力对比差距太大了。当时中野刚从大别山转出不久，实力还没有得到恢复。据参谋长李达回忆，双堆集战役打响时，中野参战部队只有两门野炮，42门山炮，4门战防炮，迫击炮207门，而且每门炮只有几发炮弹，步马枪弹不足一个基数。
家底如此单薄，兵力也不占优势，因此中野要想在短期内吃掉黄维兵团显然是不太可能的。11月28日，刘邓再次给军委去电“须十天左右才能完成，原来根据敌人总突围和廖师起义的情况，估计可以迅速解决战斗，此种情况业已改变”此时刘邓已经意识到接下来可能会是一番苦战了，并判断还需要十天才有可能解决战斗。
之后中野采用近迫作业的办法一步步向前推进，并在12月6日对黄维兵团发起了全线总攻。此时胡琏已经空降双堆集指挥，敌人依仗火力优势死命顽抗，战斗进行的异常激烈。陈锡联的三纵负责攻打马围子，这里的守敌只有5个营，但三纵连续两次强攻都没有拿下，还付出了数千人的伤亡代价，有的连队仅剩下了几个人。
陈锡联向刘邓汇报了战况，并表示哪怕只剩下一个营也要坚决打下去。刘邓指示只要能消灭黄维，中野哪怕倾家荡产也要打到底！战至12月13日，黄维兵团已经被压缩在了东西不过两公里的狭长地域中。但中野也付出了极大的伤亡代价，为数不多的炮弹早已打光，只靠轻武器是很难把敌人彻底消灭的。
在这种情况下，只能向华野寻求帮助了。当时陈毅虽然在中野担任副司令，但仍兼着华野的司令员和政委，他亲自给粟裕打电话，让华野抽兵支援中野作战，并明确要求消灭黄维后华野不参加打扫战场，所有的战利品都要留给中野，华野所有的参战部队连一块纸片都不允许带走。
很快华野参谋长陈士榘就带着7纵、13纵和特纵赶到双堆集参战。但此时中野各部都打红了眼，谁也不愿意让出攻击位置。陈士榘也很有性格，见状直接带着部队原路返回了。刘邓经过协商后，决定把王近山6纵的攻击位置让出来，由陈士榘统一指挥南集团作战。华野参战后，效果十分明显，战至12月15日下午，黄维兵团被全歼，他本人也成了俘虏。
遵照陈毅的指示，华野参战部队在撤离战场的时候，把战利品都留给了中野。其中各种火炮870门、坦克15辆、汽车300多辆，自动火器就更多了。由于战利品太多，负责打扫战场的部队用了十天十夜的时间才拉完。中野因此鸟枪换炮，以陈赓的4纵为例，各营的机炮连都装备了6门迫击炮和6挺重机枪，每个步兵连配有迫击炮2门，轻机枪6挺，冲锋枪则装备到了每个班。
由于有了充足的火炮和炮弹，中野各部已经看不上掷弹筒了，这些淘汰下来的掷弹筒都交给了地方部队使用。双堆集战役，中野虽然打得比较苦，但缴获也很大，部队的火力由此得到了极大的提升，这也为不久后的渡江战役和大西南战役打下了一个坚实的基础。
